航空發動機軸承新材料
2015-10-06
航空發動機軸承新材料
1.M50NiL軸承鋼
從1955年到1980年25年間，航空發動機軸承的轉速穩定增長，dn值已達到近2.5百萬。進入九十年代，航空發動機的高速和高溫對滾動軸承提出了更高的要求。然而，現有的軸承鋼，即使是專用的耐高溫軸承鋼，如M50，18-4-1和14Cr-4Mo家族的各種派生鋼種，如CRB-7和GB-42，在明顯高于目前發動機軸承的溫度下仍能正常工作。但還有一個重要的制約因素，這就是淬透鋼軸承套圈在超高速條件下的易斷裂性，這種故障發生時很少或根本沒有前兆。
為了找出一種既有M50軸承鋼所具有的性能，且斷裂性更好的軸承鋼，SKF的MRC軸承公司在美國空軍的支持下開展了一系列研究工作，最終選擇了M50NiL。
M50NiL除斷裂韌性有所提高外，與其它高溫淬透軸承材料相比，顯微組織和疲勞強度也都很好。其原因之一是M50iL中沒有大顆粒碳化物，因此，這種鋼對碳化物引起的疲勞裂紋不敏感。
盡管M50NiL原料的勘探比M50容易，且材料的軋制和鍛造更方便，但要想得到所需的理想淬透層、芯部顯微組織和一定的材料特性，必須精確控制淬火和熱處理工藝。為研究M50NiL處理方法，SKF付出了很大的努力，投入了大量的資金。MRC技術人員認為，通過熱處理可使這種材料在鄰近滾道表面處產生殘余壓應力，在高dn值條件下，該應力區可抵消圓周應力的作用，從而提高軸承壽命。采用SKF相奕控制工藝，可得到較高的壓應力，而且淬硬深度比傳統工藝高三倍。SKF曾用傳統的方法對M50NiL做過熱處理試驗，得出的材料斷裂韌性值為275~350MPa-m1/2，在軸承傳速達到dn=3百萬時，具有良好的止裂特性。要提高軸承轉速和/或產生更大的表面缺陷，斷裂韌性值就必需接近700MPa-m1/2。為了提高芯部韌性，SKF開發了一種工藝，可使熱處理后的M50NiL在不喪失表面特性的情況下得到一個特定的芯部韌性。SKF研究人員發現，該工藝還可提高殘留壓應力，從而進一步提高軸承的性能及可靠性。這種工藝包括將工件從奧氏體化溫度冷卻到芯部和表層馬氏體開始形成的溫度之間的一個溫度，然后將工件加熱到一個較高的溫度，并在表層（淬硬層）冷卻和相變之前回火芯部。通過選擇適當的芯部回火循環，可將芯部熱處理到所需的韌度和強度，而不會對表層特性有太大的影響。業已證明，根據所選擇的芯部回火溫度，芯部硬度應控制在30~45HRC。這種芯部韌性以前只能在CBS600和Prowear53才能得到，現在KSF的熱處理工藝使具有良好的耐高溫性能的M50NiL也具有 宋的芯部韌性。此外，SKF研究人員還發現這種表面淬硬鋼還具有其它一些特點。一是表面處理。象滲氮鐵（FCN）這樣的表面處理對M50NiL具有有利的影響，它可在不含碳化物顯微組織的表面產生高壓應力區（＞1000MPa）。預期這種處理方法可提高抗腐蝕性、耐磨性和抗表面引起疲勞的特性。二是可焊接性能。由于M50NiL含碳量低，因此，在需要將軸承與法蘭或其它相類似的部件或材料連接起來制造單元軸承和復合結構部件時，可使用這種材料以降低成本。
目前，用M50NiL制造的軸承正在世界上12種不同的飛機發動機上進行試驗或應用，SKF公司處于世界領先地位。
2.陶瓷材料
為飛機提供動力的燃氣渦輪發動機效率極高，可使飛機速度達到3馬赫以上。發動機主軸軸承的工作條件要求非常高，預計主軸轉速要超過30000轉/分，軸承最高極限溫度約800~900℃。從研究可以看出，在650℃以上的工作溫度以使用高溫合金材料，要想得到長壽命，希望渺茫，而陶瓷材料為軸承工作溫度提高到明顯高于650℃帶來了希望。
SKF通過研究，選出了一組可以滿足超高溫軸承工作要求的高性能陶瓷材料，在1100℃以上高溫條件下，這些陶瓷材料中，有一種性能最佳，這就是過去十年里人們研制出的熱壓氮化硅或等壓氮化硅（Si3N4）。氮化硅之所以是理想的材料，是因為它具有良好的高溫強度和硬度，以及有利的強度/重量關系。當潤滑充分時，還具有極佳的抗滾動疲勞特性。1984年，SKF就在美國用固體潤滑劑對該材料進行了500℃以上高溫下的長期試驗。
然而，氮化硅也有缺點，其中包括抗拉強度低，止裂韌性差和熱膨脹系數極低等。因此，要制造和應用陶瓷軸承，還需要做大量的研究工作。
目前，SKF研究人員正在對碳化硅（SiC）、碳化鈦（TiC）和氧化氮硅鋁（SiAlON）等其他一些陶瓷材料用做球和套圈材料的適用性進行評定，SKF已將碳化硅用于40000轉/分的軸承試驗。碳化硅作為高溫軸承的有利性能是良好的熱傳導率、熱擴散性和抗氧化性以及材料的高純度（幾乎不存在因雜質造成的影響），其不利因素之一是彈性模數高，約高出熱壓氮化硅50％，這一點被認為是一個潛在的問題，因為它有產生高赫茲接觸應力的危險。SKF研究人員曾試圖考慮過通過調整滾道的曲率比來減少這方面的影響，但這樣做又會導致摩擦升熱的加劇。
1.M50NiL軸承鋼
從1955年到1980年25年間，航空發動機軸承的轉速穩定增長，dn值已達到近2.5百萬。進入九十年代，航空發動機的高速和高溫對滾動軸承提出了更高的要求。然而，現有的軸承鋼，即使是專用的耐高溫軸承鋼，如M50，18-4-1和14Cr-4Mo家族的各種派生鋼種，如CRB-7和GB-42，在明顯高于目前發動機軸承的溫度下仍能正常工作。但還有一個重要的制約因素，這就是淬透鋼軸承套圈在超高速條件下的易斷裂性，這種故障發生時很少或根本沒有前兆。
為了找出一種既有M50軸承鋼所具有的性能，且斷裂性更好的軸承鋼，SKF的MRC軸承公司在美國空軍的支持下開展了一系列研究工作，最終選擇了M50NiL。
M50NiL除斷裂韌性有所提高外，與其它高溫淬透軸承材料相比，顯微組織和疲勞強度也都很好。其原因之一是M50iL中沒有大顆粒碳化物，因此，這種鋼對碳化物引起的疲勞裂紋不敏感。
盡管M50NiL原料的勘探比M50容易，且材料的軋制和鍛造更方便，但要想得到所需的理想淬透層、芯部顯微組織和一定的材料特性，必須精確控制淬火和熱處理工藝。為研究M50NiL處理方法，SKF付出了很大的努力，投入了大量的資金。MRC技術人員認為，通過熱處理可使這種材料在鄰近滾道表面處產生殘余壓應力，在高dn值條件下，該應力區可抵消圓周應力的作用，從而提高軸承壽命。采用SKF相奕控制工藝，可得到較高的壓應力，而且淬硬深度比傳統工藝高三倍。SKF曾用傳統的方法對M50NiL做過熱處理試驗，得出的材料斷裂韌性值為275~350MPa-m1/2，在軸承傳速達到dn=3百萬時，具有良好的止裂特性。要提高軸承轉速和/或產生更大的表面缺陷，斷裂韌性值就必需接近700MPa-m1/2。為了提高芯部韌性，SKF開發了一種工藝，可使熱處理后的M50NiL在不喪失表面特性的情況下得到一個特定的芯部韌性。SKF研究人員發現，該工藝還可提高殘留壓應力，從而進一步提高軸承的性能及可靠性。這種工藝包括將工件從奧氏體化溫度冷卻到芯部和表層馬氏體開始形成的溫度之間的一個溫度，然后將工件加熱到一個較高的溫度，并在表層（淬硬層）冷卻和相變之前回火芯部。通過選擇適當的芯部回火循環，可將芯部熱處理到所需的韌度和強度，而不會對表層特性有太大的影響。業已證明，根據所選擇的芯部回火溫度，芯部硬度應控制在30~45HRC。這種芯部韌性以前只能在CBS600和Prowear53才能得到，現在KSF的熱處理工藝使具有良好的耐高溫性能的M50NiL也具有 宋的芯部韌性。此外，SKF研究人員還發現這種表面淬硬鋼還具有其它一些特點。一是表面處理。象滲氮鐵（FCN）這樣的表面處理對M50NiL具有有利的影響，它可在不含碳化物顯微組織的表面產生高壓應力區（＞1000MPa）。預期這種處理方法可提高抗腐蝕性、耐磨性和抗表面引起疲勞的特性。二是可焊接性能。由于M50NiL含碳量低，因此，在需要將軸承與法蘭或其它相類似的部件或材料連接起來制造單元軸承和復合結構部件時，可使用這種材料以降低成本。
目前，用M50NiL制造的軸承正在世界上12種不同的飛機發動機上進行試驗或應用，SKF公司處于世界領先地位。
2.陶瓷材料
為飛機提供動力的燃氣渦輪發動機效率極高，可使飛機速度達到3馬赫以上。發動機主軸軸承的工作條件要求非常高，預計主軸轉速要超過30000轉/分，軸承最高極限溫度約800~900℃。從研究可以看出，在650℃以上的工作溫度以使用高溫合金材料，要想得到長壽命，希望渺茫，而陶瓷材料為軸承工作溫度提高到明顯高于650℃帶來了希望。
SKF通過研究，選出了一組可以滿足超高溫軸承工作要求的高性能陶瓷材料，在1100℃以上高溫條件下，這些陶瓷材料中，有一種性能最佳，這就是過去十年里人們研制出的熱壓氮化硅或等壓氮化硅（Si3N4）。氮化硅之所以是理想的材料，是因為它具有良好的高溫強度和硬度，以及有利的強度/重量關系。當潤滑充分時，還具有極佳的抗滾動疲勞特性。1984年，SKF就在美國用固體潤滑劑對該材料進行了500℃以上高溫下的長期試驗。
然而，氮化硅也有缺點，其中包括抗拉強度低，止裂韌性差和熱膨脹系數極低等。因此，要制造和應用陶瓷軸承，還需要做大量的研究工作。
目前，SKF研究人員正在對碳化硅（SiC）、碳化鈦（TiC）和氧化氮硅鋁（SiAlON）等其他一些陶瓷材料用做球和套圈材料的適用性進行評定，SKF已將碳化硅用于40000轉/分的軸承試驗。碳化硅作為高溫軸承的有利性能是良好的熱傳導率、熱擴散性和抗氧化性以及材料的高純度（幾乎不存在因雜質造成的影響），其不利因素之一是彈性模數高，約高出熱壓氮化硅50％，這一點被認為是一個潛在的問題，因為它有產生高赫茲接觸應力的危險。SKF研究人員曾試圖考慮過通過調整滾道的曲率比來減少這方面的影響，但這樣做又會導致摩擦升熱的加劇。